Специалисты Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли разработали методику трехмерной печати структур и объектов, полностью состоящих из жидких материалов. С помощью модифицированного 3D-принтера исследователями было успешно создано сетевое соединение водяных каналов в среде силиконового масла. Данная технология обладает потенциалом для производства жидкостной электроники, предназначенной для функционирования гибких и эластичных устройств. Кроме того, предложенный метод позволяет осуществлять разделение и изучение отдельных молекул, а также обеспечивать доставку структурных компонентов для изготовления наноразмерных механизмов и микроэлектромеханических систем. Полученные водяные нити имели толщину от 10 микрон до 1 миллиметра при длине в несколько метров. Для реализации указанной технологии ученым потребовалось разработать метод предотвращения деления воды на отдельные капли непосредственно в процессе печати.

Решением этой проблемы стал специальный материал-сурфактант, который связывает и удерживает воду. Этот материал был получен путем наполнения воды золотыми наночастицами и особыми полимерными молекулами масла, в которое выдавливалась вода. Золотые наночастицы и молекулы полимера притягиваются и сцепляются друг с другом, создавая четкую границу между водой и маслом.

При этом, граница, созданная наночастицами и полимерными молекулами, напоминает по своей структуре стекло, но этот материал может быть растянут или деформирован без потери его “разделительной” функции.

“Стабильность границы означает то, что мы можем выдавить воду в виде трубки и она останется трубкой. Мы можем сформировать воду в виде эллипсоида и она сохранит заданную форму” – пишут исследователи, – “При этом, границы, разделяющие два жидких материала, сохраняются на протяжении нескольких месяцев”.

После этого исследователи взяли стандартный трехмерный принтер и удалили все компоненты, связанные с выдавливанием пластика, заменив это шприцом с тонкой иглой, через которую выдавливается вода, наполненная наночастицами. И после этого принтер, работающий под управлением стандартного программного обеспечения, стал способен создавать любые формы водяных трубок в емкости, заполненной силиконовым маслом.

“Сейчас мы способны “провести” водяные нити куда угодно в трех измерениях” – пишут исследователи, – “Однако, после этого мы можем оказать на материал определенное воздействие, которое нарушит стабильность граничного слоя и заставит водяные нити изменить свою форму. Эта дает нам возможность бесконечного переконфигурирования напечатанных жидких структур, которые имеют шанс в будущем стать основой переконфигурируемой жидкой электроники”.

Для любознательных

Одной из ключевых организаций, занимающейся разработкой технологий 3D-печати жидких материалов, является Массачусетский технологический институт (MIT). В институте созданы две значимые технологии в этой области: быстрая жидкостная печать (RLP — Rapid Liquid Printing) и печать жидким металлом (LMP — Liquid Metal Printing).

Rapid Liquid Printing (RLP)

Технология RLP была разработана в MIT в 2018 году в лаборатории самостоятельной сборки. Она использует резервуар с гранулированным гелем в качестве многоразовой подложки, что позволяет увеличить скорость, размер и улучшить свойства материалов при 3D-печати.

Особенности RLP:

• печать в любом направлении, а не слой за слоем на плоской поверхности;
• возможность использовать материалы, которые проходят фото- или химическое отверждение (высококачественные промышленные каучуки, пенопласты, пластмассы и др.);
• скорость печати до 100 раз быстрее, чем у традиционных методов 3D-печати;
• возможность создавать сложные объекты за считаные секунды;
• совместимость с любым станком с числовым программным управлением, роботизированной рукой или аналогичным производственным оборудованием.

Liquid Metal Printing (LMP)

Технология LMP представлена исследователями MIT в 2024 году. Она позволяет быстро печатать объёмные детали из жидкого металла, например алюминия.

Принцип работы: расплавленный алюминий направляют по заданной траектории в слой крошечных стеклянных шариков (около 100 микрон). Металл быстро затвердевает, формируя 3D-структуру.

Особенности LMP:

• скорость печати как минимум в 10 раз выше, чем у сопоставимых методов аддитивного производства металлов;
• возможность создавать крупные металлические элементы за несколько секунд;
• отсутствие необходимости в опорных структурах благодаря использованию порошка из стеклянных шариков в качестве поддержки;
• потенциал использования переработанного алюминия, что снижает экологическое воздействие;
• ограничение — низкое разрешение из-за скоростного производства.

Потенциальные области применения: архитектура, строительство, промышленный дизайн, быстрое прототипирование.

Исследователи MIT продолжают работать над совершенствованием этих технологий, включая улучшение качества печати, расширение диапазона материалов и оптимизацию процессов.

Возможно, существуют и другие организации, занимающиеся разработкой 3D-печати жидких материалов, но в доступных источниках MIT упоминается как один из ключевых игроков в этой сфере.

В России технологией 3D-печати жидких материалов занимаются как крупные компании и госкорпорации, так и частные производственные компании, а также научные организации.

Крупные игроки и организации

• ООО «Росатом Аддитивные технологии» — интегратор, который объединяет полный цикл аддитивного производства: от разработки 3D-принтеров и создания порошковых материалов до оказания услуг 3D-печати и постобработки изделий. В работе используется как собственное оборудование, так и техника партнёров. Предоставляет услуги по 3D-печати металлических и полимерных изделий различной сложности и объёмов, включая постобработку.
• Центр аддитивных технологий Ростеха (ЦАТ) — крупнейшее в России предприятие, специализирующееся на промышленной 3D-печати полного цикла. Здесь создают детали для авиадвигателей (ПД-14, ПД-35, ВК-650В, ВК-1600В и др.), вертолётов и других проектов. В ЦАТ применяются технологии селективного послойного сплавления лазером и прямого лазерного выращивания.
• АО «Центр технологической компетенции аддитивных технологий» (Воронеж) — проект государственно-частного партнёрства, который предоставляет услуги 3D-печати, включая работу с фотополимерами.

Частные компании

• DigitalCraft3D — компания, которая предлагает услуги 3D-печати, сканирования, моделирования и постобработки изделий. В её производственных возможностях — печать из пластика, полимера, металла, гипса или воска на нескольких принтерах.
• 3DROOM.PRO — производственный комплекс в Казани, который занимается 3D-печатью и серийным литьём пластика. Использует различные технологии, включая затвердевание жидкого фотополимера под действием облучения лазером.

Развитие аддитивных технологий в России координирует госкорпорация «Росатом», также в этой сфере участвуют «Ростех», «Роскосмос», ФГУП «ВИАМ» и другие крупные компании и организации.